Principales causes de dégradation du béton

Les principaux désordres rencontrés sur les ouvrages de génie civil peuvent être attribués au vieillissement de la structure soumise à de nombreuses contraintes environnementales, à des causes accidentelles (chocs, surcharges, incendies…) ou à des erreurs de conception, construction ou réparation (Figure I-26) [Morgan 1996].

Dans ce paragraphe, nous détaillerons plus particulièrement les phénomènes qui peuvent être à l'origine d'une des pathologies les plus couramment observées, la corrosion des armatures, puis de deux autres réactions pouvant entrainer la dégradation du béton : l'alcali-réaction et la réaction sulfatique interne.

Figure I-26 : Origines possibles de la dégradation des ouvrages [Morgan 1996]

I.2.2.1 Corrosion des armatures métalliques

La corrosion est un phénomène électrochimique qui se traduit par l’oxydation de l’acier du béton par un agent oxydant du milieu. Le pH du béton sain est très basique et a une valeur d'environ 13. Ce milieu est favorable à la formation d’une couche protectrice autour de l’acier. C’est le phénomène de passivation. Ce phénomène se traduit par une suite de réactions électrochimiques :

- L’acier au contact de la solution interstitielle du béton s’oxyde en ions ferreux Fe²⁺ [9] :

Fe  Fe2+

+ 2e^- [9]

- Le milieu étant basique, la passivation du fer est liée à l’abondance d'ions hydroxyles et d’oxygène. Le film protecteur se constitue de deux couches : l’oxyde ferrique hydraté (Fe2O3, 2 H2O) et la magnétite hydratée (Fe3O4, H2O). La formation de ces produits se traduit par les réactions suivantes [Nasser 2010] [10, 11]:

2 Fe²⁺ + 4OH^- + ½ O2 Fe2O3 + 2 H2O [10]

3 Fe²⁺ + 6OH^- + ½ O2 Fe3O4 + 3 H2O [11]

La corrosion survient donc en l’absence ou après la destruction de la couche de passivation et sous l’effet d’un agent oxydant (généralement l’oxygène présent dans le milieu). Ce phénomène électrochimique se traduit par la création d’une pile mettant en jeu le couple fer / oxygène. Ainsi, à l’anode, le fer s’oxyde et à la cathode, l’oxygène est réduit comme le montrent les demi-équations suivantes et l’équation finale qu’illustre la Figure I-27 [Liu 1996] :

Fe  Fe2+

+ 2e^- [12]

O2 + 2 H2O + 4 e^- 4 OH

-[13]  Fe(OH)

Figure I-27 : Mécanisme de corrosion de l’acier dans le béton [Liu 1996]

Ainsi, la corrosion correspond à la dissolution du fer. Les ions Fe²⁺précipitent avec les ions hydroxyle du milieu pour former des hydroxydes de fer Fe(OH)2 communément appelés rouille. La stabilité de cette rouille dépend de l’environnement dans lequel se trouve l’acier. D’autres produits de corrosion peuvent aussi se former comme les hydroxydes de fer III Fe(OH)3. De plus, le volume de ces produits peut être jusqu’à six fois supérieur à celui du fer Cela crée des contraintes dans le béton qui conduisent à la fissuration et/ou l’éclatement du béton (Figure I-28) [Simon 1998].

Figure I-28 : Phénomène de corrosion, éclatement du béton [Simon 1998]

La corrosion de l’acier du béton apparaît donc après la destruction de la couche passive due à la diffusion de certains agents dits de corrosion dans le béton. Cette dépassissivation peut avoir deux origines :

 La carbonatation du béton

La carbonatation est un phénomène naturel qui se traduit par la dissolution du dioxyde de carbone présent dans l’air dans l’eau résiduelle du béton, avec pour conséquence l’acidification du milieu. Cette étape se traduit par l’équilibre chimique [15].

CO2 + H2O  H2CO3 HCO

+ H⁺ CO3

+ 2 H⁺ [15]

Progressivement, l’acide formé réagit avec la portlandite pour donner du carbonate de calcium. Ce phénomène se traduit par la réaction acido-basique [16].

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3(s) + H2O ou Ca(OH)2 + CO3 2+

+ 2 H⁺ CaCO3(s) + 2 H2O [16] Ainsi, plus le CO2 pénètre dans le béton, plus la portlandite, qui régule le pH, est consommée. La concentration en ions hydroxyle diminue et le pH diminue jusqu’à 9, valeur suffisante pour initier la dépassivation des armatures. L’acier ainsi exposé peut être facilement attaqué par tout agent

oxydant de type O2 ou par des agents corrosifs tels que les ions sulfure, ce qui entraîne la corrosion de l’armature.

La corrosion est alors dite généralisée car elle a lieu sur toute la surface dépassivée de l’acier.  La pénétration des ions chlorures

Les ions chlorure Cl^-, de dimensions assez faibles, diffusent facilement dans le béton et progressent rapidement jusqu’aux armatures. Cette diffusion entraine des réactions d’échange avec les ions hydroxyle [17] des sels alcalins. La concentration de ces ions hydroxyles, régulée par la réaction d’autoprotolyse de l’eau [18], diminue, ce qui entraîne la chute du pH. La corrosion des armatures peut commencer.

Cl^- + KOH  K+

, Cl^- + OH^- [17]

OH^- + H3O⁺ 2 H2O [18]

Ainsi, la diffusion des ions chlorure peut également être à l’origine de la corrosion des armatures. Cette corrosion commencera à un point bien précis de l’armature. On parle dans ce cas de corrosion par piqûre.

I.2.2.2 L'alcali-réaction du béton

C’est une réaction assez complexe ayant lieu entre la silice des granulats et le ciment. Elle entraine la formation de gels calco-silico-alcalins. Le grand volume de ces gels provoque des contraintes dans le béton qui sont à l’origine de fissuration dans le béton.

I.2.2.3 Les réactions dues aux sulfates internes (RSI)

Les ions sulfates, présents dans le béton sous forme de gypse (CaSO4, 2H2O) réagissent avec les groupements aluminates du ciment. Plus précisément, la réaction a lieu entre le sulfate de calcium et l’aluminium. Le produit de cette réaction est l’ettringite. A cause de son grand volume, sa présence dans le béton provoque le gonflement du béton qui conduit à son éclatement.

Ces deux derniers phénomènes de dégradation (alcali-réaction, RSI) sont des phénomènes internes au béton. Les réparations réalisées sur les ouvrages atteints par ce type de pathologies permettront seulement de ralentir les réactions de dégradation.